Batterier Virkemåten til Li-baserte celler

Batterier generelt: Et stoff som oksideres (negativ elektrode) Et stoff som reduseres (positiv elektrode) En membran mellom disse som kan transportere ioner, men ikke elektroner

Oppladbare batterier Reaksjonene må være reversible Det skal helst ikke dannes biprodukter

MembranMembran Negativ elektrode Positiv Elektrode Elektrode (definisjoner): - kan være en halvcelle som tar opp eller avgir elektroner (hydrogenelektrode) - eller et fast stoff i en halvcelle der utveksling av elektroner skjer på overflaten (grafittelektrode)

Elektroder MembranMembran Negativ elektrode Positiv Elektrode I et batteri kan den positive elektroden trekke til seg elektroner fra den negative (i dette tilfellet fra Li)

Elektroder MembranMembran Positiv Elektrode I et batteri kan den positive elektroden trekke til seg elektroner fra den negative (i dette tilfellet fra Li) Li Negativ elektrode

Elektrontransport MembranMembran Positiv Elektrode Li + + e - Siden membranen ikke leder elektroner, må elektronene gå i en ytre leder Negativ elektrode

Elektrontransport MembranMembran Positiv Elektrode Siden membranen ikke leder elektroner, må elektronene gå i en ytre leder Li + e-e- Negativ elektrode

Elektrontransport MembranMembran Positiv Elektrode Li + e-e- Siden membranen ikke leder elektroner, må elektronene gå i en ytre leder Negativ elektrode

Elektrontransport MembranMembran Positiv Elektrode Li + e-e- Siden membranen ikke leder elektroner, må elektronene gå i en ytre leder Negativ elektrode

Elektrontransport MembranMembran Positiv Elektrode e-e- Siden membranen ikke leder elektroner, må elektronene gå i en ytre leder Negativ elektrode Li +

Elektrontransport MembranMembran Positiv Elektrode e-e- Siden membranen ikke leder elektroner, må elektronene gå i en ytre leder Negativ elektrode Li +

Elektrontransport MembranMembran Positiv Elektrode e-e- Siden membranen ikke leder elektroner, må elektronene gå i en ytre leder Negativ elektrode Li +

Ionetransport MembranMembran Positiv Elektrode For at reaksjonen skal fortsette, må ionene også passere membranen. Ellers ville reaksjonene stoppe opp. e-e- Negativ elektrode Li +

Ionetransport MembranMembran Positiv Elektrode For at reaksjonen skal fortsette, må ionene også passere membranen. Ellers ville reaksjonene stoppe opp. Negativ elektrode Li + e-e-

Ionetransport MembranMembran Positiv Elektrode For at reaksjonen skal fortsette, må ionene også passere membranen. Ellers ville reaksjonene stoppe opp. Negativ elektrode Li + e-e-

MembranMembran Positiv Elektrode Begrepene positiv og negativ elektrode kan være misvisende (Faraday) To typer ladningstransport Negativ elektrode

MembranMembran Positiv Elektrode I utgangspunktet er begge elektrodene elektrisk nøytrale. (De har ca like mange positive som negative ladninger) To typer ladningstransport Negativ elektrode

MembranMembran Positiv Elektrode Begrepet positiv elektrode betyr at elektroden inneholder et stoff som kan trekke til seg elektroner. To eksempler er Cu 2+ og Co 4+ To typer ladningstransport Negativ elektrode

MembranMembran Positiv Elektrode Når et elektron er dratt over, vil elektrodene få en ladning som hindrer videre elektrontransport e-e- To typer ladningstransport Negativ elektrode Li +

MembranMembran Positiv Elektrode (Vi kan si at den positive elektroden har fått negativ ladning, og den negative elektroden er positivt ladet) To typer ladningstransport Negativ elektrode Li + e-e-

MembranMembran Positiv Elektrode Når litiumionet følger etter, vil ladningen utjevnes, og reaksjonen kan fortsette To typer ladningstransport Negativ elektrode Li + e-e-

MembranMembran Positiv Elektrode To typer ladningstransport Negativ elektrode Li + Når litiumionet følger etter, vil ladningen utjevnes, og reaksjonen kan fortsette e-e-

MembranMembran Positiv Elektrode Membraner har lav ledningsevne, og bør derfor være tynne og ha stor overflate. Li + To typer ladningstransport Negativ elektrode e-e-

Anode/katode i oppladbare batterier De to elektrodene i oppladbare batterier vil skifte mellom å være anode og katode avhengig av om batteriet lades eller utlades Betegnelsene positiv og negativ elektrode kan brukes uavhengig av strømretning Batteripoler er normalt merket + og -

Li-baserte batterier Oksidasjon (negativ elektrode): Li Li + + e - Reduksjon (positiv elektrode): Her brukes forbindelser med overgangsmetaller som kan ha flere oksidasjonstrinn. F. eks. kobolt: Co 4+ + e - Co 3+

Batteri før opplading LiCoO 2 inneholder ionene Li + og Co 3+ Positiv elektrode av LiCoO 2 Negativ elektrode av karbon (grafitt)

Opplading Når batteriet lades, blir elektroner og Li- ioner «pumpet» over til karbonelektroden, der de blir til Li-metall. Samtidig oksideres Co 3+ til Co 4+. Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Opplading Når batteriet lades, blir elektroner og Li- ioner «pumpet» over til karbonelektroden, der de blir til Li-metall. Samtidig oksideres Co 3+ til Co 4+. Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Opplading Når batteriet lades, blir elektroner og Li- ioner «pumpet» over til karbonelektroden, der de blir til Li-metall. Samtidig oksideres Co 3+ til Co 4+. Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Opplading Når batteriet lades, blir elektroner og Li- ioner «pumpet» over til karbonelektroden, der de blir til Li-metall. Samtidig oksideres Co 3+ til Co 4+. Li e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Utlading Når batteriet gir strøm: Co 4+ har stor evne til å trekke til seg elektroner (reduseres). Samtidig er Li svært lett å oksidere. Batteriet gir derfor høy spenning (vanligvis ca 3,7 V) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading Når batteriet gir strøm: Co 4+ har stor evne til å trekke til seg elektroner (reduseres). Samtidig er Li svært lett å oksidere. Batteriet gir derfor høy spenning (vanligvis ca 3,7 V) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 4+ Co 3+ Li Li + + e -

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Utlading / Opplading Denne typen batteri kan lades og utlades svært mange ganger, og kalles av og til «gyngestolbatteri» (Rocking chair battery) Li + e-e- Co 3+ Co 4+ Li + + e - Li

Li-baserte batterier Litt om bestanddelene:

Negativ elektrode Litium er svært reaktivt (reduserende), men når det er løst (interkalert) i grafitt (karbon) er det trygt å bruke i batterier. Elektroner og Li + kan vandre ut og inn av grafittelektroden Nettoreaksjon: Li + + e - Li

Om interkalering i grafitt Grafitt er karbon som har en lagvis struktur Mellom lagene er det nok plass til at f.eks. Li- eller K-ioner kan vandre inn og ut Dette kalles interkalering og blir utnyttet i batterielektroder Det kan interkaleres et Li-atom for hvert 6. karbonatom: C 6 + Li + + e - LiC 6

Sett ovenfra Sett fra siden LiC 6 C Li

Membran I alle batterier må det være en membran som er elektrontett, men som kan lede ioner. Gamle batterityper hadde ofte et papir fuktet med en saltløsning som membran. Siden Li reagerer kraftig med vann, er membranen i Li- baserte batterier et fast stoff. (Den kan også være en løsning av et Li-salt i et organisk løsemiddel.)

Positiv elektrode Den positive elektroden inneholder et overgangs-metall som kan veksle mellom to oksidasjonstrinn (Co, Mn,Fe, Ni, V...) Den må også kunne løse (interkalere) Li + og i tillegg lede strøm. LiCoO 2 er et mye brukt elektrodemateriale med nettoreaksjon: Co 3+ Co 4+ + e - -+

Om interkalering i litiumkoboltoksid Litiumkoboltoksid har formelen LiCoO 2 Li-ionene ligger interkalert mellom lag av koboltoksid

O O Co Li LiCoO 2 Li-ionene ligger mellom lag av koboltoksid

LiCoO 2 Høy spenning kan tvinge elektroner og Li-ioner ut av denne strukturen. Da oksideres koboltioner fra Co 3+ til Co 4 Ca halvparten av litium-ionene kan benyttes uten at elektroden skades (strukturen kollapser)

Batterier med god kapasitet der form og størrelse kan varieres Resultatet:

Kan Li-baserte batterier bli bedre? Hva jobbes det med?

Levetid Li-baserte batterier har bare få års levetid. Dette skyldes: Irreversible reaksjoner ved opplading - ved høy effektbruk - og ved høye temperaturer

Ytelse Høyt strømforbruk skader batteriet Gir begrensninger i f.eks. el-biler Membranene må ha høy ledningsevne for ioner og tåle høye temperaturer

Ladetid Høy spenning og høye temperaturer gir uønskede sidereaksjoner Derfor anbefales lang ladetid

Tilgang på Li Tilgang på Li kan bli et problem Alternativer til litium utforskes (f.eks. K, Mg, Al og Na)

Design For å oppnå bedre egenskaper er det viktig å optimalisere formen på elektroder, membran og batteriet som helhet. Store elektrodeoverflater er viktig nanomaterialer testes ut for å løse noen av de nevnte problemene

Litiumbaserte batterier Er i rivende utvikling Et av flere batterialternativer med store muligheter for forbedringer